R290與R410A旋轉(zhuǎn)式壓縮機滑片-活塞摩擦副特性的對比

(1 西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 西安 710049； 2 廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 順德 528333)

房間空調(diào)器大量使用的HCFCs及HFCs工質(zhì)，因其對大氣臭氧層消耗及溫室效應(yīng)的加劇作用，正逐步被淘汰，其中HCFCs工質(zhì)已有明確的淘汰時間表。2016年10月，在盧旺達(dá)進行的《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》第28次締約方會議中達(dá)成了關(guān)于削減HFCs工質(zhì)的基加利修正案，將淘汰HFCs工質(zhì)正式納入日程。近年備受關(guān)注的碳?xì)涔べ|(zhì)R290，被認(rèn)為是業(yè)界的長遠(yuǎn)替代技術(shù)方案之一。

旋轉(zhuǎn)式壓縮機作為房間空調(diào)器的關(guān)鍵部件及主要耗能部件，摩擦功耗約占壓縮機總功耗的6%～8%，對能效影響較大，同時摩擦副的磨損情況直接影響其可靠性。因此，研究旋轉(zhuǎn)式壓縮機的摩擦特性意義重大。其中，滑片-活塞摩擦副直接承受來自滑片前后端的吸排氣壓力差造成的巨大負(fù)載，界面處于邊界或混合潤滑狀態(tài)且周邊的潤滑油同時分別受到排、吸氣兩個腔的高、低溫，高、低壓影響，使該處的油黏度變化較為劇烈，造成摩擦副的潤滑條件非常復(fù)雜[1-2]，是壓縮機內(nèi)多個摩擦副中最為嚴(yán)酷的摩擦副[3-4]，也是影響壓縮機能耗及可靠性的關(guān)鍵。發(fā)達(dá)國家早期在R22旋轉(zhuǎn)式壓縮機基礎(chǔ)上，研發(fā)不含利于潤滑的氯元素的R410A壓縮機時，有大量關(guān)于滑片-活塞摩擦副的摩擦磨損特性研究的論文發(fā)表[4-6]。

R290房間空調(diào)器的研究多集中在安全性與系統(tǒng)性能方面[7-10]，只有少量關(guān)于R290旋轉(zhuǎn)壓縮機的研究，如Lin Jie等[11-12]研究了R290空調(diào)器啟動過程中空調(diào)器系統(tǒng)與壓縮機內(nèi)部的壓力、溫度、潤滑油黏度等的變化。Wu Jianhua等[13]研究了R290旋轉(zhuǎn)壓縮機內(nèi)部熱力過程與性能。但至今還沒有專門研究R290旋轉(zhuǎn)壓縮機摩擦磨損特性的論文發(fā)表?，F(xiàn)時被廣泛應(yīng)用于冰箱的，使用碳?xì)涔べ|(zhì)的R600a往復(fù)式壓縮機的摩擦特性研究[14-16]，可作為本文的參考。

本文使用高壓力密封摩擦磨損實驗機，對現(xiàn)有材料及表面處理手段的滑片-活塞摩擦副在R290/高黏度礦物油的混合物組合下進行摩擦磨損特性研究。采用批量生產(chǎn)中的壓縮機零件：滑片和活塞作為測試樣件，并設(shè)定不同的相對滑動速度、負(fù)載、潤滑油溫度等實驗條件以盡量模擬壓縮機的實際運行工況。采用掃描電鏡對測試樣件的表面形貌進行考察，并且以目前使用量較大的R410A/POE油混合物組合作為對比基準(zhǔn)。

1 實驗設(shè)備與樣件

1.1 高壓力摩擦磨損實驗機

圖1 摩擦實驗機Fig.1 High-pressure tribometer

本文使用一臺定做的高壓力密封摩擦實驗機(下稱摩擦實驗機)來進行，其原理如圖1所示。密封腔壓力最高達(dá)10 MPa，最高加載負(fù)載為3 000 N，最高轉(zhuǎn)速達(dá)2 000 r/min。通過控制密封腔內(nèi)的工質(zhì)充灌量和腔內(nèi)的加熱溫度來控制密封腔內(nèi)的壓力；通過調(diào)整密封腔內(nèi)的工質(zhì)壓力以及油池內(nèi)潤滑油加熱溫度，就能控制潤滑油的黏度；再加上轉(zhuǎn)速、負(fù)載的設(shè)定，便可模擬出壓縮載機實際工作的各種運行工況。

1.2 掃描電鏡

使用日立制作的SN-3400掃描電鏡對滑片和活塞樣件實驗前后的形貌狀態(tài)進行記錄并對比分析。

1.3 實驗樣件

一般的摩擦磨損實驗使用標(biāo)準(zhǔn)實驗樣件如銷、盤零件來研究摩擦副[14-16]，但此情況與實際滑片-活塞摩擦副的差異較大，不利于實驗結(jié)果對實際應(yīng)用的判斷。為了盡量模擬壓縮機實際運行時的摩擦副工作狀態(tài)，使用批量生產(chǎn)的壓縮機零件作為測試樣件(圖2)，保證具有跟批量產(chǎn)品同樣的機械特性及加工精度?；钊麡蛹怪卑惭b于設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸上，兩滑片水平對置于活塞外圓兩側(cè)的直徑延長線上，通過鉗子夾緊使滑片前端與活塞外圓緊貼并施予負(fù)載。

圖2 摩擦測試樣件Fig.2 Tribological test specimen vane and roller

1.3.1滑片

滑片厚度為3.2 mm，高度為12.5 mm?；臑镾US440C不銹鋼，表面進行滲氮處理，硬度約900 HV。另外在轉(zhuǎn)速與負(fù)載遞增實驗中還追加了基材為SKH高速鋼、表面CrN處理、硬度約1 700 HV的滑片作為對比，研究在高速、高負(fù)荷條件下，滑片表面處理方式對摩擦系數(shù)的影響。

1.3.2活塞

活塞基材為Ni-Cr-Mo鑄鐵，直徑和高度分別為35 mm和14 mm。

1.4潤滑油

制冷系統(tǒng)中，一般會選擇與工質(zhì)互溶性良好的潤滑油[17-18]。對于HCFCs和HFCs，分別選擇礦物油和合成油(如POE)；而R290極性較低，與礦物油、POE油的互溶性都較好，均可用。本文使用了專門為R290旋轉(zhuǎn)式壓縮機開發(fā)的礦物油。由于R290與礦物油的互溶性較強，使工質(zhì)與潤滑油在工作狀態(tài)下的混合物黏度較低，摩擦副間的油膜承載力降低，故選用黏度較高的礦物油(40 ℃時黏度為100 mPa·s)以保證混合物的黏度，并加入了抗磨添加劑(Ad)以提升抗磨損能力。此外，將目前廣泛應(yīng)用的R410A/POE油混合物組合作為比較基準(zhǔn)，該POE油在40 ℃時的黏度為74 mPa·s，沒有加入抗磨添加劑。

2 實驗條件

2.1 代表工況下的摩擦磨損測試條件

為盡量真實模擬壓縮機運行時的實際工況，首先需要確定摩擦實驗機的實驗條件，包括工質(zhì)和潤滑油充注量、主軸轉(zhuǎn)速、加載負(fù)荷以及高壓腔的壓力、油池溫度等。為此，實驗選取兩套制冷能力及能效級別相當(dāng)?shù)腞410A與R290空調(diào)系統(tǒng)，分別確定其額定制冷及制冷過負(fù)荷工況下的壓縮機吸氣壓力、排氣壓力、曲軸轉(zhuǎn)速，同時測量壓縮機油池中潤滑油和工質(zhì)的混合物溫度，估算壓縮機活塞轉(zhuǎn)速以確定滑片-活塞摩擦副的相對滑動速度，以及滑片-活塞接觸面上的負(fù)載大小。根據(jù)上述結(jié)果，即可確定摩擦實驗機的實驗條件。另外，滑片-活塞摩擦副的潤滑狀態(tài)受壓縮腔與吸氣腔共同影響，而本研究的測試條件是根據(jù)承受著高溫、高壓的壓縮腔內(nèi)條件確定，此狀態(tài)下的潤滑油黏度更低，潤滑條件更惡劣。

實驗用的滑片、活塞樣件，在正式實驗前需要進行30 min的預(yù)運轉(zhuǎn)。當(dāng)壓縮機的實際轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，由于活塞存在自轉(zhuǎn)運動，故活塞與滑片的相對滑動速度按照1/10的曲軸轉(zhuǎn)速計算，所以設(shè)定實驗機主軸轉(zhuǎn)速為640 r/min，即活塞與滑片相對滑動速度為1.17 m/s。測試條件如表1所示。

表1 代表工況下的摩擦磨損測試條件

2.2 轉(zhuǎn)速與負(fù)載遞增摩擦磨損測試條件

為了研究轉(zhuǎn)速(對應(yīng)變頻壓縮機)與負(fù)載(對應(yīng)不同的工作壓力)的影響，分別進行轉(zhuǎn)速遞增與負(fù)載遞增摩擦磨損測試實驗。摩擦實驗機的主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為160、640、830、1 100、1 400 r/min，即摩擦副的相對滑動線速度為0.30、1.17、1.52、2.01、2.56 m/s遞增，分別對應(yīng)壓縮機的轉(zhuǎn)速為1 200、3 600、5 400、7 200、9 000 r/min時的狀態(tài)。R410A和R290下的對應(yīng)負(fù)載分別設(shè)置為50 N和80 N。

負(fù)載遞增的設(shè)定，相當(dāng)于從輕負(fù)荷至超重負(fù)荷(冷凝溫度為65 ℃)的過程。對于R290，負(fù)載依次設(shè)置為40、50、70、85、95、115 N遞增；對于R410A，其工作壓力大于R290，故實驗負(fù)載也相應(yīng)較大，依次設(shè)置為60、80、115、145、165、200 N。轉(zhuǎn)速均為640 r/min，即相對滑動線速度為1.17 m/s。

實驗均在工質(zhì)與油混合物組合下進行，采用滲氮處理的SUS440C不銹鋼及CrN處理的SKH高速鋼滑片，先進行30 min的預(yù)運行，再進入90 min實驗，并開始記錄數(shù)據(jù)，實驗條件如表1所示。

2.3 咬合實驗

對于旋轉(zhuǎn)式壓縮機，摩擦副之間的抗咬合能力很重要，主要受材料、潤滑油、工質(zhì)、工作溫度等影響。當(dāng)記錄的摩擦系數(shù)發(fā)生突變，判定為咬合發(fā)生，停止實驗。摩擦系數(shù)突變時的負(fù)載則為記為咬合負(fù)載。采用SUS440C不銹鋼滑片，先以60 N的負(fù)載預(yù)運行30 min后正式遞增負(fù)載，遞增速率為100 N/min，每遞增1次，保持該負(fù)載運行1 min后再重復(fù)上述步驟直至咬合發(fā)生。實驗轉(zhuǎn)速均設(shè)置為640 r/min，實驗條件如表2所示。

表2 工質(zhì)與油混合環(huán)境下的咬合實驗

圖3 額定制冷工況下的摩擦系數(shù)Fig.3 Coefficient of friction under the rated cooling condition

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 代表工況下的摩擦磨損測試

如圖3和圖4所示，無論R290/礦物油還是R410A/POE油混合物組合，在具有更高負(fù)載的制冷過負(fù)荷工況的摩擦系數(shù)均比額定制冷工況的小。R290/礦物油混合物組合下的摩擦系數(shù)比R410A/POE油的摩擦系數(shù)高約0.05～0.10，且呈平穩(wěn)或略微上升趨勢，而R410A/POE油則呈下降趨勢。R410A/POE油混合物組合下的實驗后滑片前端磨損量(2.5 μm)大于R290/礦物油(2.0 μm)。

圖4 制冷過負(fù)載工況下的摩擦系數(shù)Fig.4 Coefficient of friction under the over load cooling condition

圖5和圖6分別為采用掃描電鏡拍攝的制冷過負(fù)荷工況下摩擦實驗前后的滑片前端面和活塞外徑面的圖片。R290/礦物油混合物組合下實驗后樣件表面仍然有可見加工痕跡，而R410A/POE油的加工痕跡已基本被消磨掉。

可知由于礦物油中的抗磨添加劑形成了邊界保護膜，增加了摩擦副的潤滑性能，增強了其抗磨損能力[12]。

圖5 滑片前端面SEM圖像Fig.5 SEM images of vane tip

圖6 活塞外徑面SEM圖像Fig.6 SEM images of roller outer diameter

3.2 滑動線速度提升及負(fù)載提升時的摩擦系數(shù)測試

如圖7和圖8所示，摩擦系數(shù)隨滑動線速度(對應(yīng)于實驗機轉(zhuǎn)速)提升呈下降趨勢，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到830 r/min后均趨于平緩。此時，R410A/POE油混合物組合下的摩擦系數(shù)最低，而R290/礦物油下，具有更高表面硬度的CrN處理的高速鋼滑片的摩擦系數(shù)比不銹鋼滑片的低。

圖7 變滑動速度下的摩擦系數(shù)Fig.7 Coefficient of friction under the variable speed

圖8 變負(fù)載下的摩擦系數(shù)Fig.8 Coefficient of friction under the variable load

另外，當(dāng)負(fù)載提升時，R290/礦物油混合物組合下，兩種滑片的摩擦系數(shù)基本相當(dāng)，其中高速鋼CrN處理滑片表現(xiàn)出略微上升趨勢，而不銹鋼滲氮滑片在R410A/POE油下呈下降趨勢。

3.3 咬合實驗

咬合實驗的摩擦系數(shù)變化如圖9所示，R410A/POE油和R290/礦物油混合物組合下的咬合負(fù)載分別約為1 500 N和1 800 N?？梢奟290/礦物油混合物組合下表現(xiàn)出更優(yōu)良的抗咬合能力。推斷這歸因于與R290配合使用的礦物油中加入了擠壓抗磨劑，加強了對摩擦副的保護，使其可承受更重的負(fù)載，延緩了咬合發(fā)生的時間。

圖9 咬合實驗的摩擦系數(shù)變化Fig.9 Coefficient of friction during the seizure test

4 結(jié)論

本文使用高壓力密封摩擦實驗機，對現(xiàn)有材料及表面處理手段的滑片-活塞摩擦副在R290/高黏度礦物油及R410A/POE油混合物組合下進行摩擦磨損特性對比實驗研究。根據(jù)實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)材料為SUS440C不銹鋼滲氮處理的滑片，以及Ni-Cr-Mo鑄鐵的活塞所組成的摩擦副，在R290/高黏度礦物油混合物組合下的摩擦系數(shù)比R410A/POE油下的的摩擦系數(shù)明顯高出0.05～0.10。

2)R290/高黏度礦物油混合物組合下，滑片-活塞摩擦副的咬合負(fù)載比R410A/POE高300 N，滑片磨耗量較低，表現(xiàn)出更強的抗磨損能力。

3)在分別對應(yīng)變頻壓縮機由1 200 r/min至9 000 r/min轉(zhuǎn)速的滑動速度遞增實驗，以及從輕負(fù)荷至超過65 ℃冷凝溫度對應(yīng)的超重負(fù)荷的負(fù)載遞增實驗中，摩擦系數(shù)基本呈下降至平穩(wěn)趨勢。

4)通過掃描電鏡分析實驗前后的滑片和活塞摩擦表面，R290/礦物油混合物組合樣件的表面相比R410A/POE油存在更多的原始加工痕跡，推斷是與礦物油中的抗磨添加劑增強了摩擦副的抗磨損能力有關(guān)。

需要下一步研究R290在配合其它潤滑油及滑片材料下的摩擦磨損特性，尋求可以降低摩擦系數(shù)的材料、表面處理、潤滑油及其添加劑。

[1] PADHY S K, SCHELDORF G O. Wear and tribodynamics of a rolling piston rotary compressor [C]//International Compressor Engineering Conference. West Lafayette, USA, 1994: 79-84.

[2] YOSHIMURA T, ONO K, INAGAKI K, et al. Analysis of lubricating characteristics of rotary compressors for domestic refrigerators[J]. Journal of Tribology, 1999, 121(3):510-516.

[3] SUNG H C. Tribological characteristics of various surface coatings for rotary compressor vane[J]. Wear, 1998, 221(2):77-85.

[4] LEE Y Z，OH S D. Friction and wear of the rotary compressor vane-roller surfaces for several sliding conditions[J].Wear, 2003, 255(7/12): 1168-1173.

[5] KATSUMI K, SHOTARO M, AKIRA K, et al. Tribological evaluation of rotary compressor with HFC refrigerants[C]//International Compressor Engineering Conference. West Lafayette, USA, 1996: 135-140.

[6] SASAHARA Y, KOMINE K, OOTORI M, et al. Development of 2-cylinder rotary compressor with R410A[C]//International Compressor Engineering Conference. West Lafayette, USA, 1998:447-452.

[7] 李廷勛，楊九銘，曾昭順，等. R290灌注式替代R22空調(diào)整機性能研究[J].制冷學(xué)報，2010，31(4):31-34. (LI Tingxun, YANG Jiuming, ZENG Zhaoshun, et al. Experiment on R290 substituting for R22 in a room air-conditioner[J]. Journal of Refrigeration, 2010, 31(4): 31-34.)

[8] 楊林德，吳建華，候杰. 分體式房間空調(diào)器R290 和R1270替代R22實驗研究[J].制冷學(xué)報，2013，34(2):9-14.(YANG Linde, WU Jianhua, HOU Jie. Experimental study of split room air conditioner charged with R290 and R1270 as substitutes to R22[J]. Journal of Refrigeration, 2013,34(2):9-14.)

[9] 張網(wǎng)，楊昭，王婕，等. 分體式空調(diào)器使用R290 作為制冷劑的泄漏研究[J].制冷學(xué)報，2013，34(6):42-47. (ZHANG Wang, YANG Zhao, WANG Jie, et al. Leakage research of split-type air conditioner using R290 as refrigerant[J]. Journal of Refrigeration，2013，34(6):42-47.)

[10] 肖紅海，張?zhí)?，胡艷．R290小型家用空調(diào)器的性能匹配研究[J]．制冷學(xué)報，2006，27(4): 26-30. (XIAO Honghai，ZHANG Tao，HU Yan. Experimental research on performance of small room air conditioner with R290[J]．Journal of Refrigeration，2006，27(4): 26-30.)

[11] LIN Jie，WU Jianhua，ZHANG Ze，et al. Experimental investigation of startup characteristics of R290 rotary compressor under low ambient temperature heating condition[J]. International Journal of Refrigeration，2017，77: 128-135.

[12] WU Jianhua，LIN Jie，ZHANG Ze，et al. Experimental investigation on cold startup characteristics of a rotary compressor in the R290 air-conditioning system under cooling condition[J]. International Journal of Refrigeration，2016，65: 209-217.

[13] WU Jianhua，WANG Gang，LI Yuyong，et al. Experimental study on P-V diagram and valve displacement of a HC290 rotary compressor[J]. Journal of Mechanical Engineering Science, 2015, 229(17): 3113-3124.

[14] SARIIBRAHIMOGLU K，KIZILA H，AKSIT M F，et al. Effect of R600a on tribological behavior of sintered steel under starved lubrication[J]. Tribology International，2010，43(5/6):1054-1058.

[15] GARLAND N P，HADFIELD M. Environmental implications of hydrocarbon refrigerants applied to the hermetic compressor[J]. Materials and Design，2005，26(7):578-586.

[16] GARLAND N P，HADFIELD M. Tribological analysis of hydrocarbon refrigerants applied to the hermetic compressor[J]. Tribology International，2005，38(8):732-739.

[17] 趙蕾，劉咸定. 替代工質(zhì)用潤滑油添加劑的作用機理研究[J].制冷學(xué)報，2003，24(2): 61-64.(ZHAO Lei, LIU Xianding. Study on mechanism of lubricant additives for alternative refrigerants[J]. Journal of Refrigeration，2003，24(2):61-64.)

[18] 趙蕾，嚴(yán)雙志，李樹林，等. 替代工質(zhì)與潤滑油的匹配性研究[J].制冷學(xué)報，2003，24(3):59-62.(ZHAO Lei, YAN Shuangzhi, LI Shulin, et al. Study on suitability of lubricants and alternative refrigerants[J]. Journal of Refrigeration，2003，24(3): 59-62.)